Некоторые методы исследования движений фигуристов

Из широкого комплекса методов исследований движений фигуриста мы выбрали некоторые, в наибольшей степени использованные в нашей работе. Описание методов не претендует на полноту. Задача раздела—заинтересовать читателя, побудить дальнейшее, более глубокое изучение данных методов и использование их для изучения движений фигуриста.

Метод моделирования

Движение продольной оси тела фигуриста

При выполнении различных элементов фигурного катания важное значение имеет характер движения продольной оси тела фигуриста. Поскольку спортсмен в процессе движения принимает самые различные позы, условно будем называть продольной осью тела ось, проходящую через голову и туловище спортсмена. Эти звенья сосредоточивают в себе основную массу тела. Именно поэтому во многих случаях движение наиболее тяжелых звеньев —головы и туловища —в решающей степени определяет качество выполнения элементов фигуры. Например, при выполнении поворотов в обязательных фигурах стремятся к неизменному движению продольной оси тела —к такому, при котором при встречном движении плеч относительно таза движение продольной оси близко к поступательному. Еще большее значение имеет обеспечение поступательного движения продольной оси тела в многооборотных прыжках (рис. 54, а), Наличие поворота продольной оси вперед или назад, влево или вправо часто приводит к прецессии оси вращения тела, к нарушению условий качественного приземления.

Рассмотрим условия создания поступательного движения продольной оси тела фигуриста. Используем для этого метод моделирования. Изобразим схему кинематической цепи опорно-двигательного аппарата фигуриста (рис. 55). Кинематическая цепь считается состоящей из абсолютно твердых тел соединенных идеальными шарнирами. Изменение величин суставных углов этой цепи рассматривается в плоскости движения. Обозначим через углы сгибания коленного и тазобедренного суставов; через — угол голеностопного сустава опорной ноги; через — угол между коньком и льдом, а через — угол наклона продольной оси тела и поверхности льда. Установим соотношение между углами и используем его для решения поставленной задачи, т. е. для анализа движения продольной оси тела.

Рис. 54. Движение продольной оси тела фигуриста а прыжках а — поступательное; б—вращательное назад; в—вращательное вперед

Рассмотрим сумму углов многоугольника АВСДЕ:

Из выражения (1) видно, что угол продольной оси тела с поверхностью льда равен алгебраической сумме величин суставных углов опорной ноги и угла между коньком и льдом .

При движении спортсмена суставные углы опорной ноги и угол изменяются с течением времени; следовательно, взяв производную по времени от выражения (1). получим соотношение между угловыми скоростями, т. е.

Дальнейшим дифференцированием можно получить соотношение для соответствующих угловых ускорений, что позволяет перейти к анализу динамической структуры исследуемой системы.

Пользуясь данным соотношением, рассмотрим, как должны изменяться суставные углы опорной ноги, чтобы к конечному моменту отталкивания продольная ось двигалась поступательно. Поскольку при поступательном движении угол наклона продольной оси к поверхности земли не меняется, т. е. = const, то производная по времени от угла равна нулю, и формула (2) примет вид:

Равенство (3) можно записать в виде:

Таким образом, условие поступательного движения продольной оси тела в прыжке может быть выражено следующим образом: движение продольной оси тела будет поступательным, если сумма скоростей изменения углов тазобедренного и голеностопного суставов равна сумме скоростей изменения углов коленного сустава и угла между коньком и льдом. При наличии существенного отклонения движения оси тела от поступательного необходимо одним из имеющихся методов регистрации суставных углов определить звено, в котором задерживается погрешность. Затем на этой основе вносится коррекция в технику выполнения, подбираются соответствующие имитационные упражнения, а также упражнения для развития физических качеств отстающей группы мышц.

Следует отметить, что ряд элементов фигурного катания требует значительного вращения продольной оси тела в плоскости движения. В первую очередь это элементы произвольного катания. Наиболее яркими примерами движений со значительным вращением продольной оси тела является широко распространенный прыжок баттерфляй и прыжок сальто назад, иногда выполняемый в показательных выступлениях. В баттерфляе ось тела вращается вперед, а в сальто — назад (рис. 54, б, в). Для прыжка баттерфляй условие обеспечения вращения продольной оси тела вперед можно выразить так:

т. е. сумма скоростей изменения угла коленного сустава и угла между коньками и льдом в момент отрыва должна быть больше суммы скоростей изменения угла тазобедренного сустава и угла голеностопного сустава.

Для прыжка сальто назад условие обеспечения вращения продольной оси тела назад можно выразить в виде:

т е. сумма скоростей изменения углов тазобедренного и голеностопного суставов в момент отрыва должны быть больше суммы скоростей изменения угла коленного сустава и угла между коньком и льдом.

Следует отметить, что в данном аспекте техники прыжки фигуристов имеют сходство с другими видами прыжков в легкой атлетике, на лыжах с трамплина и т. д. Интересны в этом отношении наблюдения Ю. В. Верхошанского и В. Б. Попова. По их данным, легкоатлеты отмечают, что самые удачные прыжки их отличались легкостью и непринужденностью («свободно висел в воздухе, без всякого напряжения»; «чувствовал себя в прыжке очень свободно, как будто ничего не делал» и т. д.). По-видимому, ощущение удобства полета, отсутствия напряжения и лишних (компенсаторных) движений явилось следствием поступательного движения тела. В то же время отмечается, что бывают случаи, когда ощущение прыгуна связано с неуловимым вращением вперед в воздухе, как будто чья-то невидимая рука толкает его в спину на протяжении всего полета. Приземление совершается с потерей равновесия или не удается вообще.

Рис. 55. Кинематическая цепь тела фигуриста

В данном примере мы имеем случай непоступательного движения тела, причем причина возникновения вращения тела, по-видимому, заключается в неточном выполнении конечной фазы отталкивания.

В заключение можно сказать: полученное соотношение и его частные случаи дают возможность производить не только качественный анализ условий создания поступательного и вращательного движений оси тела в плоскости движения, что очень важно для понимания сущности явления, но и производить расчеты угловых перемещений и угловых скоростей.

Кроме того, зная линейные размеры звеньев тела и угловые перемещения, можно определить не только угловое перемещение и скорости оси туловища, но и линейные скорости отдельных точек того или иного звена, т. е. получить числовые параметры, которые могут служить ориентирами при обучении.

Вариант определения координат о. и. т. тела фигуриста

Известно, что в процессе движения фигуриста на опорной ноге при простом скольжении, а также в фазах амортизации при отталкивании и приземлении в прыжках непрерывно изменяются углы в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах. При этом мышцы стопы, голени, бедра и туловища совершают тс преодолевающую, то уступающую работу. В ряде случаев при биомеханических исследованиях необходимо знать, как перемещается о. ц. т. тела с учетом специфики одноопорного скольжения. Говоря о специфике одно-опорного скольжения, мы имеем в виду, что такой режим скольжения сопровождается относительной закрепощен-ностью туловища и свободной ноги. В результате положение центра тяжести туловища с руками и свободной ногой пра-ктически неизменно. Такой режим одноопорного скольжения характерен для подготовки к прыжку лутц на отдельных участках скольжения в обязательных фигурах и в произвольном катании.

Рис. 56. Схема модели опорно-двигательного аппарата фигуриста

Предлагаем вариант аналитического способа определения координат о. ц. т. тела фигуриста при плоском движении (рис. 56). В нашем варианте координаты х_c и у_c о. ц. т. выражаются через величины суставных углов и величину угла наклона полоза конька к плоскости льда , где — угол коленного сустава, —угол тазобедренного сустава, —угол голеностопного сустава. Формулы дают возможность по размерам звеньев тела и значениям суставных углов, взятых из кинограмм, определенных по показаниям гониометров или полученных каким-нибудь другим способом, определить положение о. ц. т. тела. При этом в одно и то же время центры тяжести одних звеньев тела могут подниматься, а центры тяжести других звеньев —опускаться.

Встречаются два режима движения фигуриста: скольжение на плоскости конька и скольжение с опорой на зубцы конька) которое имеет место в конце толчка и в начале приземления в прыжках. Несмотря на относительную непродолжительность опоры на зубцы (0,1—0,2 с), именно в эти моменты обеспечивается устойчивость движения тела в полете и приземлении, вследствие чего выполнений этих частей прыжка приобретает особое значение.

При скольжении на плоскости конька формулы имеют вид*:

Коэффициенты А, В, С и Д названы нами антропометрическими. Они определяются измерением длины соответствующих звеньев у конкретного фигуриста. Расположение центра тяжести звена, а также вес каждого звена по отношению к общему весу тела определяются любым доступным существующим методом. Формулы для антропометрических коэффициентов выглядят следующим образом:

Выражения для координат х_c и у_c о. ц. т. тела являются функциями четырех переменных: углов , которые, в свою очередь, являются функциями времени. Зная положение о. ц. т. тела фигуриста в различные моменты времени, можно определить ряд важных для биомеханических исследований скоростных, силовых и энергетических характеристик.

Так, дифференцирование выражения для ус при плоском скольжении на полозе конька приводит к формуле определения скорости вертикального перемещения о. ц. т. тела при сгибании и разгибании опорной ноги:

Следует отметить, что данные формулы могут быть использованы не только при скольжении по прямой, но и при движении по пологим дугам. Наклоны продольной оси тела при этом весьма незначительны, ими можно пренебречь в пределах точности метода. Таким образом, данный способ определения координат о. ц. т. тела может быть применен в широком диапазоне движений фигуриста.

Кинотелевизионный метод

Использование кинометода при изучении движений фитуриста достаточно широко распространено в практике тренерской работы. Правда, у него есть некоторые недостатки из которых главные— сравнительно высокая стоимость кинопленки, невозможность повторного использования для съемки уже отработанного киноматериала и задержка во времени между съемкой и показом изображения, необходимая для фотохимической обработки отснятого материала.

Применение телевизионной записи с магнитным носителем сигналов, т. е. видеомагнитофона, позволяет эффективно решать проблемы, возникшие в связи с особенностями фотографического процесса при киносъемке движения, в частности предоставить возможность немедленно воспроизвести запись, передачу записанного изображения средствами радиосвязи или вращательных телевизионных систем на любые расстояния, а также в случае необходимости стереть сделанную ранее запись и повторно использовать магнитную ленту практически неограниченное число раз. Правда, есть и здесь свои минусы.

И тем не менее видеомагнитная запись дает прекрасную возможность для количественной (а не только качественной) оценки движения. Подразделение телевизионного кадра на два полукадра, отстоящих по времени на 0,02 с, позволяет,с помощью остановки ленты и просмотра так называемого стоп-кадра проследить изменения движущегося изображения в его последовательных фазах, т. е. создать своего рода фазовый портрет движения.

Широкие возможности рождает сочетание кино- и фото-съемки с видеомагнитной записью, т. е. применение кинотелевизионного метода, предложенного в ГДОИФКе им. П. Ф. Лесгафта И. В. Истоминым. Кинотелевизионный метод сочетает все положительные качества как телевизионного, так и кинометода и, кроме того, предоставляет возможность экономии как пленки и магнитной ленты, так и усилий экспериментатора-тренера. Метод заключается в пересъемке на фото- или кинопленку изображения с экрана видеомагнитофона. Перед пересъемкой отснятый материал просматривают, затем необходимый материал переснимают на фотопленку, если нужны отдельные кадры и кинограммы, или на кинопленку, если нужны кинокольцовки и фильмы. После этого видеозапись стирается, и пленка может быть вновь использована для съемок. Отснятый материал —фотографический или кинематографический—сохраняет, естественно, все положительные стороны фото- или киноизображения.

Весьма ценной является возможность создания архива, относительно небольшого по объему и емкого по обилию ценной информации.

В ряде случаев возможно и целесообразно применение кинотелевизионного метода в другом варианте. Имеется в виду пересъемка важных киноматериалов с киноэкрана на видеомагнитофон. Это, например, удобно, чтобы избежать необходимости использовать кинопроектор, пользоваться только видеомагнитофоном, что весьма облегчает задачу в условиях учебно-тренировочных сборов, проводимых на иыезде.

Практика использования кинотелевизионного метода выявила некоторые особенности телевизионной системы, на которые прежде не обращалось внимания, —так называемые локализационно-кинематические искажения, приводящие к_ размазыванию изображения движущейся фигуры фигуриста при вращениях или ином быстром движении, например в полете или при выполнении прыжков. Это снижает точность последующего определения скорости и ускорения точек тела и является существенной помехой для более широкого применения данного метода. Вот почему особенно интересна разработанная группой специалистов под руководством И. В. Истомина в ГДОИФКе им. П. Ф. Лесгафта специальная насадка— обтюратор, применение которого резко увеличивает разрешающую способность системы, что значительно улучшает четкость изображения.

В заключение необходимо отметить исключительно высокую точность временных параметров, снимаемых с помощью телевизионной системы; эта точность вполне сравнима с показаниями современного кварцевого секундомера и обеспечивается автоматически.

Современные средства массовой информации позволяют наблюдать по телевидению практически все крупные соревнования по фигурному катанию, а применение кинотелевизионного метода позволяет накопить материалы, необходимые тренеру.

Стереофотограмметрический метод

Идея стереометода для построения пространственной картины движения впервые была предложена Н. А. Бернштейном. Современное развитие техники привело к широчайшему применению стереофотограмметрии в различных отраслях науки и технихи. С помощью данных фотограмметрии восстанавливаются памятники старины, определяются перекосы высоких сооружений, например фабричных труб, изучаются распределение и характер потоков воды в гидросооружениях, анализируется движение снарядов, космических летательных aппаратов, определяются объемы котлованов, отвалов пород и т.д. Стереофотограмметрический метод (СФГ) был применен автором в 1969 г. для изучения траекторий движения головы кистей рук и стопы маховой ноги в прыжках фигуриста. Сущность метода заключается в следующем. СФГ позволяет определить форму, размеры и пространственное положение объектов по двум фотографиям, сделанным с разных точек. Обработка двух снимков, составляющих стереопару основывается на том, что координаты изображения точки в системе координат, проведенной через координатные метки снимков, неодинаковы для правого и левого снимков. Разность абсцисс соответственных точек называется продольным параллаксом и обозначается через Р. Для «нормального» случая съемки (когда направления оптических осей обеих камер перпендикулярны к базису) координаты точки объекта связаны с координатами изображения точки на снимках и с продольным параллаксом следующими простыми соотношениями

где X Y Z — координаты точки объекта; х: у: z — координаты изображения точки на снимках; Р - продольный параллакс; b — базис фотографирования (расстояние между обеими камерами);f— фокусное расстояние объективов.

Стереокамера, которой мы проводили съемки, предстаа-ляет собой две фотокамеры, жестко соединенные между собой с помощью стальной трубы; затворы их работают синхронно и приводятся в действие вручную. Фокусное расстояние объективов —57, 16 см, относительное отверстие— 1 : 12, база — 1,2 м, размер фотопластинок- 6X9 см.

Для обработки стереопар использовались два вида приборов: стереокомпараторы, с помощью которых определяются, координаты точек объекта, и стереоавтографы, позволяющие вычерчивать траектории движения точки тела непосредственно на листе бумаги без предварительного вычисления коор-линат точек. Для регистрации траекторий движения на голове, кистях рук и стопах фигуриста укреплялись малогабаритные лампочки накаливания, яркость которых была значительно больше яркости фона. Объективы обеих камер синхронизированы, и время экспозиции равно или несколько больше времени выполнения всего движения или его части, подлежащей изучению. На фотопластинках получали траектории движения исследуемых точек тела. Экспериментальные съемки показали, что наиболее удобными для обработки являются траектории, расположенные под углом 30—60° к базису фотографирования, т. е. когда имеется существенное перемещение «в глубину». Участки траектории, перпендикулярные к базису, можно обрабатывать только на предмет получения координат X и Z. Полученные на снимках траектории обрабатывались на стереокомпараторах. Наиболее удобным оказался стереокомпаратор модели 18 X 18, а также прецизионный автоматизированный прибор типа «Стекометр». Оба прибора —фирмы «Цейс-Иена», причем последний, снабженный вычислительным и печатающим устройством, позволяет получать координаты точек как в десятичной системе, так и в двоичной на перфокарте, что особенно перспективно для дальнейшей автоматической обработки результатов.

Метод СФГ позволяет определить не только пространственные, но и временные параметры движения. Для последнего нами предложены и опробованы три способа. Среди них — импульсная подсветка объекта, прерывание тока, питающего лампочку, укрепленную на теле спортсмена, использование вращающегося обтюратора.

Для решения задач наших исследований наиболее удобным оказался третий способ. Обтюратор, представляющий собой десятизубцовый диск, вращающийся со скоростью 1 об/с, был укреплен перед объективом левой камеры. На снимке, полученном левой камерой, траектория точки представляла собой пунктирную линию. Длина каждого штриха пропорциональна скорости движения точки. Траектория точки на правом снимке оставалась сплошной, благодаря чему при рассмотрении пары снимков стереоэффект не нарушался, что принципиально необходимо для обработки. Использование обтюраторов различного типа показало, что соотношение между величиной зуба и прорези 1:4 является оптимальным для предварительного исследования большинства движений фигуриста.

Следующим шагом в использовании метода СФГ является стереокинограмметрия. В этом случае съемка производится двумя синхронизированными киноаппаратами, установленными в разных точках зала катка. Увеличение базиса съемки и применение высокой скорости съемки позволяют получить исключительно высокую точность измерения. Кроме высокой точности к преимуществам метода СФГ следует отнести возможность исследований движений, имеющих большую пространственную протяженность, отсутствие устройств, существенно ограничивающих свободу движений спортсмена, а также относительную простоту.

Описываемый метод целесообразно применять при изучении движений, имеющих сложную пространственную структуру, таких, как фигурное катание, прыжки в воду, акробатика, гимнастика и т. д., а также для регистрации траектории полета снаряда в метаниях.

На основе метода СФГ нами сделана попытка использовать пространственные проволочные модели движения человека, кистей рук, стопы маховой ноги фигуриста для повышения наглядности обучения. С этой же целью фигуристам предлагалось рассматривать через стереоскоп пространственную картину движения. Оба способа повышения наглядности обучения доказали свою перспективность.

Фундаментальные исследования в области использования фотограмметрии для изучения спортивных движений выполнены в последнее время сотрудниками кафедры биомеханики и группы биомеханики проблемной лаборатории ГЦОЛИФКа под руководством проф. В.М.Зациорского. Особый интерес представляет применение двусторонней стробоскопической стереофотосъемки при исследованиях упражнений с особо сложной двигательной картиной, таких, как прыжки и вращения фигуриста (Тюпа В.В.,Райцин Л.М.,; 1978).

Развитие телевизионной техники открывает широкие перспективы для использования стереотелесъемки, проводимой двумя телевизионными камерами. Работы, проведеные в этом направлении в ГДОИФКе им. П. Ф. Лесгафта под руко водством И.В.Истомина, показали возможность использования видеомагнитофона и двух телевизионных камер без сложных переделок самого телевизионного комплекса аппаратуры. Соединение кино- и телевизионного-метода в стереоскопии для последующего стереотелефотограмметрического анализа представляется нам весьма перспективным для дальнейшего совершенствования этого весьма полезного метода анализа движения в фигурном катании.

Использование метода стереограмметрии наталкивается обычно на затруднения, связанные с применением дпух телевизионных установок с синхронизацией, осуществляемой с высокой точностью. Для того чтобы сделать этот метод доступным в практике спортивной деятельности, нами предложена система с одним видеомагнитофоном, позволяющая без особых затруднений получить стереофототелевизионные изображения, пригодные для анализа стереограмметрическими методами.

Вместо двух телевизионных камер и двух систем воспроизведения наш метод позволяет использовать один воспроизводящий аппарат, экран которого оказывается разделенным по вертикали. Это позволяет на одном экране наблюдать изображения правой и левой камер, что решает главный вопрос о точности синхронизации и стабилизации телевизионных изображений, создающих стереокадр. Отдельные изображения, составляющие стереопары, могут рассматриваться (в динамике или статике) с экрана телевизионного приемника с помощью простого зеркального стереоскопа, имеющего вид бинокля, также предложенного' в процессе создания данной методики.

Тензометрический метод

Среди широкого круга параметров и характеристик движения, которые могут быть изучены с помощью тензометри-ческого метода, особое место занимает изучение сил взаимодействия конька со льдом. Эти силы являются обобщенным показателем, отражающим целый комплекс движений. Среди них —сгибание и разгибание опорной ноги, маховые движения, стопорящие движения коньком опорной ноги, изменение наклона продольной оси тела и т. д.

Для изучения величин и характера изменений сил взаимодействия между коньком и льдом нами были изготовлены специальные тензоконьки. В скоростном беге на коньках применялось несколько вариантов тензоконьков и тензостелек, имеющих разные эксплуатационные качества. В качестве прототипа нами была использована модель Н. Г. Измайлова, предназначенная для определения величины одной поперечной составляющей усилия между коньком и льдом.

В упражнениях фигуриста большое значение имеют движения, выполняемые носком конька и создающие усилия, действующие вдоль конька. Именно поэтому конструкция наших коньков несколько усовершенствована и предусматривает два тензометрических моста на каждом из коньков для измерения продольных и поперечных усилий*.

Другими словами, усилия измеряются в системе координат, связанной с коньком. Под продольным усилием подразумевается составляющая общего усилия между коньком и льдом, действующая вдоль конька, под поперечным - составляющая, действующая в плоскости лезвия конька в поперечном направлении (рис. 57).

Рис. 57. Тензометрическая система: 1 - тензоконьки, 2 - разъем, 3 - предварительный усилитель, 4- портативный магнитофон, 5 - направления измеряемых усилий

Сигналы тензомостов усиливаются малогабаратным предварительным усилителем, укрепленным на теле спортсмена. Дальнейшая передача сигнала на записывающее устройство возможна путем проводной системы и телеметрически— с помощью передатчика и приемника. Первый способ ограничивает свободу перемещения спортсмена, второй относительно сложен, В наших исследованиях наряду с проводным и телеметрическим применялся метод, предложенный Н. Г,Измайловым, при котором сигнал от предусилителя записывается на портативный кассетный магнитофон, укрепленный на теле спортсмена (рис. 57). Использование магнитофона позволяет избежать необходимости использовать телеметрическую аппаратуру. Сигналы, записанные на магнитофон, могут быть расшифрованы любым регистрирующим аппаратом, например осциллографом, а также электронно-вычислительной машиной и другими устройствами, что создает определенные удобства для машинной обработки данных исследований.

На рис. 58 приведены тензограммы усилий в коньке при выполнении некоторых движений.

Рис. 58. Тензограмма поперечных усилий

Заключение

В настоящее время сформировался круг методов исследования, без применения которых в спорте уже невозможно добиться значительных успехов. В центре этого круга— спортсмен с его многосторонней деятельностью. Именно разносторонность деятельности спортсмена-фигуриста обусловливает необходимость разностороннего комплекса методов исследования. Рассматривая этот вопрос с позиции биомеханического анализа движений фигуриста, хочется особо подчеркнуть, что учет особенностей организма фигуриста как живой системы требует использования биологических аспектов исследования. В этом ряду стоят физиологические,биохимические, психологические методы исследования, методы исследования принципов управления движениями и т. п. Однако, на наш взгляд, поскольку наука о спорте есть в конечном итоге наука обучения людей спортивным движениям, т. е. наука педагогическая, то и педагогические наблюдения как метод исследования должны занимать одно из ведущие мест всякого исследования. Рядом с педагогическими наблюдениями стоит критическое обобщение опыта спортивной и тренерской работы, анализ достижений и ошибок отдельных тренеров.

Хочется еще раз подчеркнуть, что только органичное соединение традиционно биомеханических методов исследований с педагогическим может привести к созданию новых упражнений, более совершенных, Средств и методов подготовки фигуристов.